CN103857507A - 模具温度控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种工具（100）包含多数层（102,104,106），它们被设成可提供热灵敏的工具面（110），并能保护控制电路和脆弱的部件（150）避免过高的温度。

Description

模具温度控制装置
本发明涉及一种工具。更具体的说，本发明涉及一种工具其具有温度受控制的工具面可供用于金属、塑料和复合材料的成型。 
已知可在成形制程中改变工件的温度而来达到所需的结果。此可包括将整个工具总成放入蒸压锅中而来调理该标的材料以达到该工件中的所需材料性质。 
此种方法之一问题是蒸压锅很大且低效率，因而安装及使用较昂贵。另一问题是该工件通常会在单一温度被调理；遍及该工件的动态温度控制一般是不可能的。在若其厚度或所需的材料性质必须依据该工件的最后功能规格而被改变的情况下，较好地能遍及该工件来改变其温度。 
能动态且可变的工件温度控制之方法曾被提出。一种上述的方法是被揭露在以编号WO 2011/048365公开的申请人的较早申请案中。该申请案建议使用一加热和/或冷却流体泵经一系列相邻的工具销而来遍及工具面改变工具面的温度。 
上述工具销是由具有高导热性的材料譬如金属所构成。严苛的环境和该金属材料的导热性意味着加热/冷却控制的电子器件及温度测量电路不能容易地被装设在其中。取代地，公知技术是利用遥控的加热/冷却单元，其会将加热或冷却的流体泵入工具中。 
此方法复杂且低效率，因为加热或冷却流体必须沿着供应管线运行。 
又该公知技术的另一问题为能加工该销中的流体通道，它们必须相当粗大。这是不利的，因为它们将会有一高热惯性。换言之，它们将需要时间和能量才能升温和冷却。若该工件温度要被仔细地控制是不利的。这种工具也是低效率的。 
本发明目的是要克服或至少消减上述的问题。 
依据本发明的第一方面提供一种用来形成工件的工具，包含： 
第一层界定工具面，及相反于所述工具面的温度控制表面；
第二层界定第二层流体腔室与所述温度控制表面流体导通，及排流口可从所述工具排出流体；
第三层在所述第二层向所述第一层的相反侧上；
流体注射器包含入口及出口，所述注射器从该第三层伸出，穿过第二层至第一层，而使出口接近温度控制面。
较佳的是，分层方法容许最极端的温度能被隔绝于第一层与第二层，而提供中间温度的排流区。第三层是隔绝于可被设置温度入口、电热偶和控制系统的第二层。 
此外，应请了解被控制的热质量是被限制于第一层。因为第二层是用来排出该温度控制流体，其能被热隔绝于该第一层，故而可在该第一层和工具的工具面中提供增加的热灵敏性。因此，该工具温度能被更容易且迅速地调整。 
更进一步，凭借提供第三层，其能被热隔绝于排流层，故用来控制工具面温度所需的全部电子器件都能被安全地存放于此。因第三层是隔绝于第一和第二层，所以其温度可为适中的。 
较好有设于该第一层与第二层之间的第一绝缘层，该第一绝缘层是由具有比第一层更低导热性的材料所构成。 
较好有投于该第二层与第三层之间的第二绝缘层，该第二绝缘层是由具有一比第二层更低导热性的材料所构成。 
较好第一层界定被温度控制表面限界的第一层流体腔室，第一层流体腔室和第二层流体腔室是呈流体导通。 
依据本发明的第二方面是提供一种制造工件的方法，包含以下步骤： 
提供依据第一方面的工具；
提供相对工具；
在工具与相对工具之间形成工件。
依据本发明的第三方面是提供一种用于成型工具的热控制总成，包含： 
基部用来附接于成型工具；
热效应器或转换器可移动地附于该基部并弹性地偏压，而使效应器或转换器在基部组合时会自行对准于成型工具。
该“效应器”为一种用以加热或冷却模具，譬如加热器或环境空气鼓风器。该“转换器”为一种用于温度测量的装置，譬如电热耦。 
较好热效应器是加热器，更好是该加热器为同轴流体加热器具有出口在使用时会朝成型工具定向。 
较好提供承抵构件安装成可与该热效应器或转换器一起移动，该承抵构件是构制成可突出至离该基部比该效应器或转换器更远的位置来接触成型工具，而得能在使用时将该转换器或效应器定位在相隔于成型工具的预定位置。 
较好该热效应器可移动地附接于该基部，且热转换器可移动地附接于该热效应器并弹性地偏压，而使该效应器和转换器在该基部组合时会自行对准于成型工具。 
较好该效应器和转换器是被各别的弹性组件安装，其中该转换器弹性组件系比该效应器弹性组件较不钢硬。 
依据本发明之一第四方面是提供一种成型工具其含有一依据该第三方面是的热控制总成。 
较好该工具包含支撑部件，及第二部件附接于该支撑部件，其中该第二部件会界定一工具面，且该基部系附接于该第二部件而使该热效应器及/或转换器会朝向该工具面偏压，且其中该成型工具的第一部件系可更换的。此可通过机械固紧物譬如螺栓或螺丝来达成。 
依据本发明的工具例现将参照以下图式来被描述，其中： 
图1为依据本发明的第一工具的分解侧视截面图；
图2为图1的工具的装配图；
图3a为图1的工具的局部底视图；
图3b为穿过图1的工具的不同截面；
图4为依据本发明第二工具的一局部立体图；及
图5和6为依据本发明的第三工具的立体图。
请参阅图1和2，工具100包含第一层102，中间层104，第二层106及支撑总成108。 
第一层102包含工具面110。该工具面110会反映要被形成的工件的形状，且在使用时与一相对工具(未示出)相关联。在该工具面110的底侧，有一温度控制表面112会被界定如下文所述。 
该第一层102是被周壁114包围而可界定封闭容积。该第一层102会界定多个独立的腔室118，腔室118在第一端被温度控制表面112的一部分限界，且在第二端116开放。该等腔室118被腔室壁120分开，腔室壁120从温度控制表面112延伸至开放端116。正因如此，该第一层102会界定一种蜂巢式结构含有多个独立的穴状腔室118。 
该温度控制表面112包含许多凸肋122。这些凸肋122会提供温度控制表面112的较大表面积来供该腔室118内的流体接触，而得促进该流体与该温度控制表面112之间的热转移。正因如此，在腔室118中的任何流体瞬变将会因通过第一层102的传导而影响工具面110的温度。 
该第二层106包含一块体132具有一系列的穿孔134。每一穿孔134皆含有用于一同轴空气加热器的安装装置(如后所述)。 
该支撑总成108包含密封板136具有多数个盲孔138界定于其中，一支撑板140及多个工形梁142。 
除了上述构件外，有第一衬垫144和第二衬垫146会被提供。 
该中间层104位于该第一和第二层之间，而包含块体124具有界定其中的多个穿孔125。穿孔125通过内孔口128呈流体导通。靠近块体124周围的穿孔通过排流口130来与工具的外部呈流体导通。如此，该中间层104会提供排流功能如后所述。 
该工具100是被如下地组合。 
该工形梁142形成工具的反应结构，而使任何由该相对工具(未示出)施加于该工具面110的压缩负载皆能被反应。该支撑板140装在工形梁142上，且密封板136设置在该支撑板140顶部，如第2图中所示。该第二层106被安装于该支撑板140，而使每一穿孔134都与该密封板136的独立的盲孔138对准。 
同轴空气加热器148会被提供，其具有加热器总成150，伸长管段152，及出口154。该加热器总成150装在穿孔134内的第二层106中。应请了解有多数个此等加热器会被装入每一个穿孔134中。向上突出的电热偶也可被安装，并会被更详细说明于后。 
该第二衬垫146是被设在该第二层106顶上。该第二衬垫146包含多数个小孔156等，它们会在该加热器148的管段152周围形成紧密密封。正因如此，当各加热器148伴随着衬垫被安装时，每一穿孔134将会由于底下的密封板136和上方的衬垫146而被密封。 
该中间层104被置于该第二层106顶上，而使每一穿孔125会与独立的穿孔134对准。如此，每一穿孔125都会有一空气加热器管段152的一部分被包含于其中。 
该第一衬垫144被置于该中间层104顶上。该第一衬垫144包含一系列的小孔158，它们实质上比加热器148的管段152更宽，而使穿孔125会朝上开放。 
最后，该第一层102会被堆栈于该中间层104上，而使各腔室118会与独立的穿孔125对准。如此，穿孔125和腔室118会各自互相呈流体导通。 
如在图2中可见，当组合时管段152的出口154会突出靠近第一层102的温度控制表面112。 
该各衬垫144、146是由热绝缘材料制成。该材料具有导热性比用来制成该各层102、104的材料更低。如此，该第一层102与中间层104之间的传导会最小化。 
同样地，中间层104和第二层106之间的传导会由于第二衬垫146而最小化。此外，因为这些小孔156会在加热器148的管段152周围形成紧密密封，故穿孔125与穿孔134之间没有流体会被容许通行。如此，通过传导和对流的热移转不会被容许于中间层104与第二层106之间106。 
请转至图3a，该第一层102的底视图可被见到。一系列的小凹部或坑160是被形成于温度控制表面112中。除了由第二层106穿过中间层104延伸至该第一层102的同轴空气加热器148外，一系列具有伸长本体的电热偶162会被由第二层106朝该温度控制表面112向上弹压而伸入凹坑160中。如此，若第一层102改变时(例如要界定具有不同廓形的工具面100)，则电热偶能适当地移动，并与温度控制表面112保持接触。此可使它们能精确地测量第一层102的温度。 
应请了解该各电热偶162是连接于控制系统，其则会控制每一加热器150，而使工具面110的所需温度能被达到。此系统在该技术中系已公知，故不在此描述。 
在使用时，空气会被泵入该同轴空气加热器148的入口153中，并会被加热器总成150加热。对加热器150的控制电路和配线149穿过第二层106的壁。 
加热的空气会由伸长管段152向上运行至出口154，在该处其会冲击于温度控制表面112上。因此热会转移至该温度控制表面110，并传导至工具面110。空气接着会向下回流穿过该腔室118进入该中间层104，在该处其会穿过相邻的内孔口128，且最后在排流口130排出。 
应请了解由于该衬垫146的存在，所以流体的对流进入该第二层106中是不被允许的。 
因从该出口154流出的流体将会在其冲击并弹回至该中间层104的时候冷却，故其将会被稍微地冷却。因为中间层104传导性地隔绝于第一层102，故其将会稍微较凉些。因没有传导或对流被容许于该中间层104与该第二层106之间，故第二层106将会显著地比该中间层104更冷些，而因此，对该加热器总成150，及其中的控制电路或电热偶控制电路162任何可能的损害将能被避免。如此，所有需要的电子器件和伺服物将可被装在该第二层106内，而不会有大大的问题由于升高(或在冷却情况下为降低)的温度而发生。 
又，因中间层104是传导性地隔离于第一层102，故第一层102的热质量会减少，因此令其能使用加热流体来更容易地动态改变该工具面110的温度。 
其结果会成为高度热灵敏的工具，其中通过不同区域的温度(被不同的腔室118所控制)可被独立且容易地改变。 
请转至图4，同轴加热器总成200的详细设计被示出。此加热器总成200可被与工具100一起使用。 
该总成200包含支架202在其中央会界定加热器容纳孔204，并有附接孔206，承抵物容纳孔208和电热偶容纳孔210围绕加热器容纳孔的周边相隔开。周边的孔206、208和210是绕该加热器容纳孔204大致等距地相隔开。 
同轴空气加热器212设在该总成200中。加热器212包含空气入口214会馈进至腔室216。腔室216是与加热器管218呈流体导通，该管含有电加热组件。腔室216装有用于加热器所需的控制和电源电子器件。该管218终止于一轴向出口220。 
加热器212置设于该支架202的加热器容纳孔204内，且以传统的附接装置(例如螺丝等固紧物，或焊接)来附接于它。 
回至该支架202，有附接耳222是装在附接孔206中。套耳222是可适于附接在一工具内，譬如工具100。详言之，附接耳是连接于工具，而可与之相对地移动(例如在一垂直轴上滑动)。因此，附接耳以及总成200能够相对于该工具移动，且较好总成200安装成可朝向工具控制表面(即工具面的底侧)被弹性地偏压，原因将说明于后。 
承抵杆224会被提供安装于承抵物容纳孔208中，而固定于支架202。承抵杆224会平行于加热器管218延伸并超过其末端。承抵杆224会界定一末梢225，其位在离该管218的末端有预定的轴向距离处。当工具含有工具面的部份被置于工具上时，相反于工具面的一面(温度控制表面)将会接触该承抵杆224的末梢225，并向下推压该总成200。因为末梢225与管218之间有固定距离，故管218的末端将会保持在离该工具温度控制表面预定距离处。此距离会被最佳化来提供所需的加热/冷却特性。 
承抵杆224在承抵物容纳孔208中的轴向位置能被调整，而可在使用时来调整该管218的末端与该工具的温度控制表面之间的预定距离。 
伸长的电热偶226是被设在该电热偶容纳孔210中，并包含末梢227。电热偶226包含凸缘228及压缩弹簧230，其被套陷于凸缘228与支架202之间，而使电热偶226会被向地弹性偏压。通过电热偶162，末梢227会位于工具的温度控制表面中形成物内来测量其温度。必然地，该弹簧230是比向上推压该支架202的弹簧较不钢硬。 
请转至图5，一可另择的工具包含一系列呈方格状排列的工具组件300。每一工具组件300包含第一本体306，中间本体304和第二本体302。 
第一本体306总体呈立方体状，并有圆形开孔332界定在一侧上。相反于开孔322的壁324具有工具面326界定在其外表面上。相反于工具面326处有一温度控制表面328会被界定，其表面积是因有形成于其中之多数个相邻的机制孔而会增加。 
该中间本体304总体呈圆筒状。该中间本体304会在下端318和上端320开放。该中间本体304会在一侧壁中界定一排流口319，并与其内部呈流体导通。 
第二本体302圆筒形，且外径是大致如同中间本体304。第二本体302是中空而具有一封闭端308与一开放端310。第二本体302会界定第一孔部312导至该封闭端308并在肩部313开放至较大直径的第二孔部314。该第二孔部314会再开放至一第三孔部316，其终止于该开放端310。流体/伺服物入口315是设在该第二本体302的一侧壁中，并与该第一孔部312呈流体导通。 
分隔物330设在该第二本体302内，且为环形构件具有中孔332从中穿过。 
同轴空气加热器334设在该工具组件300内。加热器334包含控制/伺服段336其具有一空气入口338。控制/伺服段336装有所需的电子器件以控制和供电该加热器334。入口338与一空气管340呈流体导通，其会延伸至一轴向出口342。空气加热器(未示出)系设在该管340内。 
要组合该组件300时，同轴空气加热器334会被放入第二本体302中，并被该分隔物330支撑。应请了解该分隔物330当组合时该加热器334不会完全地密封该第二本体302而容许流体由该开放端310通行越过该管340。 
中间本体304在其下端318附于该第二本体302，并以一O形环344密封来防止该组件300内的流体泄漏。 
第一本体306在该中间本体304的上端320附接于它并定位密封。 
应请了解该出口342导向该温度控制表面，因此被设计成可加热(或若需要则为冷却)该工具面326。 
第一电热偶346会由该第一本体306延伸至该温度控制表面328。 
第二电热偶350会伸入该第二本体302中来测量其内的流体温度。 
在使用时，该组件300在入口315处连接于一空气供应，并在排流口319连接于排气软管。所有的电控制和电源线皆会被导经该空气供应315，并在该流体/伺服物入口315进入该第二本体302的内部。因此本发明乃利用单一个孔来供器材和空气供应之用。 
来自入口的一些空气会通过该加热器334，并被加热而冲击在该温度控制表面328上，在该处其会加热该工具面326。冷却亦可通过简单地以一持续的环境空气流来散热该加热组件而被达成。当该空气冲击至温度控制表面328上后，其会流回至该中间本体304内，在该处其可由排流口319排出。 
该组件300被设计成使在该第二本体302内包围该加热器和电热偶中的电子器件的压力，会比在由该中间和第一本体304与306所界定的腔穴内的压力更高。此乃有利于保持一固定的冷却空气流来流过器材，通过分隔物330，并进入中间和第一本体304、306内来与该加热空气混合再由排流口319排出。以此方式，器材层(由第二本体302代表)会被保持在受控的温度。 
也请注意该第二和中间本体302、304之间的接合会最小化其接触以及其间的传导。出口319的位置靠近第一本体306亦有助于确保较下方的器材层不会被过度地加热。 
在第二本体302内的温度可通过第二电热偶350来被小心地监测。 
在使用时，若干个组件300将会被焊接在一起而来提供一连续且可变温度的工具面。 
应请了解工具销300为该工具100的单元模式，而该第一、中间和第二本体306、304、302具有如同第一、中间和第二层102、104、106的功能，即分别为工具温度控制、排流和器材保护功能。 
上述工具特别适用于严苛的环境，譬如在纤维复合物成形中，因为其整个流体路径是密封的。因此有害的纤维不能进入该系统中。 
变化例会落诸于本发明的范围内。 
该系统的第二层可简单地开放于周遭空气，只要其隔离于其它层，且特别是加热层(其在此情况下将需要被以一导管移除)。 
上述技术同样可应用于选择性的冷却和加热，且其冷却和加热可被使用于同一工具中。 

Claims (28)

1.一种用来形成工件的工具，包含：
第一层界定第一流体腔室，外工具面用以形成工件，及温度控制表面相反于该工具面；
第二层会界定第二流体腔室；
加热器总成包含加热器入口，加热器出口，及流体加热器配设其间；
其中，所述加热器入口位于所述第二流体腔室内，且所述加热器出口位于所述第一流体腔室内；且
其特征在于，所述的第一和第二层构制成使流体由所述第一流体腔室流入第二流体腔室会被禁止。
2.如权利要求1所述的用以形成工件的工具，其特征在于，包含在该第一和第二层之间的中间层，所述的中间层并界定中间流体腔室会与第一流体腔室呈流体导通。
3.如权利要求2所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的中间层界定排流口与该中间流体腔室呈流体导通。
4.如权利要求3所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的排流口比所述第二层更接近于第一层。
5.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的第二流体腔室与中间流体腔室之间的流体导通会被禁止。
6.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述加热器出口导向温度控制表面。
7.如权利要求2所述的用以形成工件的工具，其特征在于，包含位于第一层与中间层之间的第一绝缘层，所述的第一绝缘层是由具有一比第一层更低热导性的材料所构成。
8.如权利要求7所述的用以形成工件的工具，其特征在于，包含位于中间层与第二层之间的第二绝缘层，所述的第二绝缘层是由具有一比中间层更低热导性的材料所构成。
9.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述温度控制表面包含具有的特性可增加与所述腔室内的流体接触的表面积。
10.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，包含设有传感器可检测该温度控制表面的温度。
11.如权利要求10所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述传感器与温度控制表面接触。
12.如权利要求11所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述传感器朝向该温度控制表面弹性地偏压。
13.如权利要求11所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述传感器弹性地装在所述第二层内。
14.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的第二层包含结合的供应流体和电线入口。
15.如权利要求1所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的第二层具有供应入口，所述供应流体入口分开成进入该加热器入口的加热器流，及绕过所述加热器入口的控制流被设成可直接流入所述第一流体腔室。
16.如以上权利要求中任一项所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的加热器总成可轴向移动地安装于工具。
17.如权利要求16所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述加热器总成朝向温度控制表面弹性地偏压。
18.如权利要求17所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述加热器总成包含承抵物会朝向温度控制表面延伸超过加热器出口来与温度控制表面接触，用以在加热器出口与温度控制表面之间保持预定的距离。
19.如权利要求18所述的用以形成工件的工具，其特征在于，所述的承抵物可相对于该加热器出口调整。
20.一种制造工件的方法，其特征在于，包含以下步骤：
提供如权利要求1至19任一项所述的工具；
提供相对工具；
在所述工具与相对工具之间形成工件。
21.一种用于成型工具的热控制总成，其特征在于，包含：
基部用以附接于成型工具；
热效应器或转换器可移动地附接于基部且弹性地偏压，而使所述效应器或转换器在基部组合于成型工具时会自行对准。
22.如权利要求21所述的热控制总成，其特征在于，所述热效应器是加热器。
23.如权利要求22所述的热控制总成，其特征在于，所述的加热器是同轴流体加热器具有出口在使用时会朝成型工具定向。
24.如权利要求21至23中任一项所述的热控制总成，其特征在于，包含承抵构件被安装成可与热效应器或转换器一起移动，所述承抵构件构制成由基部突出至比效应器或转换器更远的位置来接触成型工具，并在使用时将该转换器或效应器定位在相隔于成型工具的预定位置。
25.如权利要求21所述的热控制总成，其特征在于，所述的热效应器可移动地附接于该基部，且热转换器可移动地附接于热效应器并弹性地偏压，而使效应器和转换器在基部组合于成型工具时会自行对准。
26.如权利要求25所述的热控制总成，其特征在于，所述的效应器和转换器系被独立的弹性组件安装，其中所述转换器弹性组件比效应器弹性组件较不钢硬。
27.一种成型工具，其特征在于，该工具包含如权利要求21至26中任一项所述的热控制总成。
28.如权利要求27所述的成型工具，其特征在于，包含支撑部件，及第二部件附接于支撑部件，所述第二部件界定工具面，且所述基部附接于第二部件而使热效应器及/或转换器会朝向工具面偏压，且其中成型工具的第一部件是可更换的。
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